CN100427893C - 基于负阻特性的流量测量方法及电阻流量计 - Google Patents

Abstract

基于负阻特性的流量测量方法，测量流场内液体两定点间电阻的变化量及对应的液体的平均流速，通过标定，找出不同液体的电阻R与平均流速V的关系V＝f(R)，进而由Q＝AV＝Af(x)而计算得流量，利用欲测定其流量的管道内所设的两个电极间由被测液体构成的液体可变电阻R测量流量。基于负阻特性的电阻流量计包括有：流量传感器，前置放大转换器，流量积算仪，显示、记录仪，接口电路及电源。本发明可广泛应用于导电或微导电液体，如水或各种酸、碱、盐溶液的流量测量，在纯水液压传动，环保水处理系统、化工行业中酸、碱溶液的流量测量，生产过程自动控制方面，可有广泛的应用。应用前景良好。

Description

基于负阻特性的流量测量方法及电阻流量计

技术领域

本发明涉及通过测量流场内液体两定点间电阻来测量流量的方法及装置，特别是基于负阻特性的流量测量方法以及利用该方法设计的电阻流量计。

背景技术

流量计是石油、化工、食品、环境保护、流体传动与控制等诸多领域都广泛使用的仪表。在石油、化工行业，流量经常是主要的测控参数，其检测精度对产品质量、生产安全都有重要影响。在流体传动与控制上，流量更是监控系统工作状态，评价系统元件静、动态性能的主要参数，提高流量测量的精度和技术水平具有重大的理论意义及实用价值。

目前正在使用的流量计种类繁多，测量原理各异，除了体积式、质量式是直接测量流量外，大多数流量计是属于间接测量。由于流量等于平均流速乘以过流截面积Q＝AV，可通过测量与流体平均流速V有关的物理量x或该物理量的增量Δx，在流体流动时若有V＝f(x)，就可利用Q＝AV＝Af(x)测算流量。

根据上述间接测量的原理，选用不同的物理量为对象就形成了不同的流量计。取x为压差Δp时是压差式流量计，如孔板式、喷嘴式、文丘里式、层流流量计等；取叶轮的脉冲频率为x时，就是叶轮式流量计，如涡轮式流量计、分流旋翼流量计等；取x为流体紊流时的旋涡频率时，就是涡流流量计，如涡街流量计、旋进旋涡流量计等；若取超声波被流体反射后的参数，如频率、时间差为x时就是超声流量计、多普勒流量计等。此外还有电磁流量计，激光流量计等。

目前流量计存在的问题，(1)干扰流场，改变流态。多数流量计需要在管道内设置孔板、涡轮、节流元件，产生较大的压力损失，干扰流场，测量误差大。(2)动态响应速度慢。由于运动部件惯性影响，多数只能测量平均流量，对于瞬时动态流量无法作出反应。(3)价格偏高。如激光式、超声波式流量计，价格较高，应用受限制。

从测试的要求看，测量目的已从简单静态平均流量的测量，转向了同时要求动态瞬时流量的测量。特别是在流体传动与控制领域，响应速度越来越快，对系统动态性能的要求越来越高，现今的动态瞬时流量的测量水平已经远远不能满足实际控制要求，动态瞬时流量的测量已成为制约系统控制性能提高的问题。

发明目的

本发明的目的是研究流动液体平均流速V与电阻R之间的相互作用机理，找出二者之间的关系，以电阻R为间接测定液体平均流速的物理量x，并由此提出一种新的流量测量理论和方法，以及根据这种理论及方法设计一种电阻流量计。本发明和方法科学合理，装置安装方便；不干扰流场，压力损失小；无运动部件，可最大限度地消除惯性影响，动态性能好，能方便准确的测量动态瞬时流量。

发明内容

基于负阻特性的流量测量方法，其特征在于，测量流场内液体两定点间电阻的变化量及对应的液体的平均流速，通过标定，找出不同液体的电阻R与平均流速V的关系V＝f(R)，进而由Q＝AV＝Af(x)而计算得流量，利用欲测定其流量的管道内所设的两个电极间由被测液体构成的液体可变电阻R测量流量，具体方法为：

(1)在欲测定其流量的管道内设两个电极，电极与液体直接接触，当管内充满液体后两电极间形成一个数值随液体平均流速变化的液体电阻，

(2)保持管内液体静止，测定两电极间的原始液体电阻R₀.

(3)改变管内液体平均流速，依次取V₁、V₂、V₃……Vn，测出相对应的电阻R₁R₂R₃……Rn，

(4)采用现有公知的计算机曲线拟合程序处理上述数据，得出流量与电阻间的函数关系V＝f(R)，

(5)测量管道过流截面积A，

(6)将步骤(4)、(5)得出的关系式和数据输入流量积算仪，存储待用，

(7)流量积算仪根据已存储的不同液体电阻与平均流速的函数关系V＝f(R)，并根据Q＝AV＝Af(x)关系，利用其预设的现有公知的计算程序，计算液体流量，

(8)通过流量积算仪内的在线监控程序控制显示仪实时显示记录流量值，并可查询历史记录。

本发明的基于负阻特性的电阻流量计，其特征在于，包括有：

(1)体电阻变化量的流量传感器，

(2)用于将转换电阻信号并放大的前置放大转换器，

(3)有利用不同液体电阻与电压信号关系V＝f(R)，并根据Q＝AV＝Af(x)关系，利用其预设的现有公知的计算程序，计算流量的流量积算仪，

(4)显示记录流量值的显示、记录仪，

(5)将流量信号输出，供自动控制使用的I/O接口电路，

(6)电源，

流量传感器体(3)两端为可拆卸的连接结构，内孔供液体通过，在内孔分别设有测两定点间电阻变化的电极(2)，传感器与前置放大变换器电气联接；前置放大变换器与流量积算仪电气联接；流量积算仪与显示仪电气联接；流量积算仪与流量信号输出I/O接口电气联接；电源分别与流量传感器、前置放大变换器、流量积算仪、及流量显示仪电气联接。

根据理论分析和实验验证，流场内两定点间的电阻，会随着平均流速的增加而减小，我们称之为“负阻特性”。当流体一定，外界条件不变时，二者之间存在确定的的函数关系。只要能建立此函数关系V＝f(R)，就可由式Q＝AV＝Af(R)流量。此即电阻流量计的理论基础，据此本发明提出基于负阻特性的流量测量方法及电阻流量计。

本发明的测量流量方法的理论依据是，液体流场两定点间的电阻与平均流速之间存在确定的函数关系。当平均流速为零时，有一原始值R₀，当平均流速增加时此电阻会改变，平均流速和电阻之间存在确定的函数关系，我们选择电阻R作为参考物理量，建立函数关系V＝f(R)，就能间接测定平均流速V，进而通过Q＝AV＝Af(R)测算得到流量。各种不同的液体V与R的函数关系是不同的，测算中应分别进行标定。各种不同液体的标定结果对应于不同的函数关系，记为f₁(R)、f₂(R)、f₃(R)……，存储于流量积算仪中备用。

在本发明中，流量传感器，也被称为流量变送器，其作用是将平均流速信号转换为电阻或与电阻变化有关的电压、电流信号的部件。前置放大转换器，用于放大、变换流量传感器的输出信号，使之能方便地被流量积算仪处理。流量积算仪，用于接收前置放大输出信号，运算、处理后得出流量信号。显示仪用于将流量、总流量、平均流量等数值以人能感知的形式表输出，如表针指示、LED显示和打印机打印输出等。流量信号输出有电压、电流等多种形式，供自动控制仪表或上一级控制计算机使用。

本发明的特点，(1)只需要测量流场内任意两固定点间的液体电阻并将其转换成与电阻有关的电压、电流等信号，就能得到液体的流量，故方法简单，传感器结构也非常简单，强度好。本发明除用于常压液体流量测量外，还可用于高压液体流量测量，如水射流切割、纯水液压传动等。(2)本发明是将电阻的变化由电桥或其它电路转换成电压或电流信号，最后结果的输出设计为数字量或模拟量都很方便，选择余地大，应用范围广。(3)本发明的传感器不会干扰流场，没有压力损失，还可以测量带腐蚀性的液体，如水、酸、碱溶液等的流量。(4)本发明无运动部件，响应快，动态特性好，除可测量平均流量外，更可用于动态瞬时流量的在线测量，这一点对于流体传动与控制系统、精细化工等领域具有重大的意义。

本发明可广泛应用于导电或微导电液体，如水或各种酸、碱、盐溶液的流量测量，在纯水液压传动，环保水处理系统、化工行业中酸、碱溶液的流量测量，生产过程自动控制方面，可有广泛的应用。应用前景良好。

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步解释。

附图说明

图1为本发明结构框图

图2为本发明传感器电气原理图

图3为本发明具有环状电极的传感器结构示意图

图4为本发明具有针状电极的传感器结构示意图

图5为分压式前置放大转换器电气原理图

图6为桥式前置放大转换器电气原理图

图7为流量积算仪结构框图

图8为本发明流量测量连接示意图

图9为本发明流量测量、控制连接示意图

具体实施方式

基于负阻特性的流量测量方法及电阻流量计

1、基于负阻特性的流量测量方法

在流场内，测量液体两定点间电阻的变化，通过标定找出不同液体的电阻R与平均流速V的关系V＝f(R)，通过前置放大变换器、流量积算仪处理信息，得到流量信息并在显示仪显示，具体方法为，

(1)欲测定其流量的管道内串联两个电极，电极与液体直接接触，当管内充满液体后两电极间形成一个数值随平均流速而变的液体电阻，

(2)对流量计进行标定，首先保持管内液体静止，测定两极间的原始液体电阻R₀；改变管内液体平均流速，依次取V₁、V₂、V₃……Vn，测出相对应的电阻R₁、R₂、R₃……Rn，

(3)采用现有公知的计算机程序处理上述数据，得出流量与电阻间的函数关系V＝f(R)，并储存于流量积算仪待用，

(4)测量管道过流截面积A，

(5)将步骤(4)、(5)得出的关系式和数据输入流量积算仪，利用其预设的现有公知的计算程序(例如)，计算Q＝Af(R)，得到液体流量，

(6)通过积算仪内的在线监控程序控制显示仪实时显示当前流量值，并可查询历史记录，

(7)将流量信号变换后输出，供自动控制使用。

2、基于负阻特性的电阻流量计

根据上述方法设计流量传感器。流量传感器体(3)两端为螺纹(6)或法兰(8)以便与液体管道(10)连接，通常是被测管道直径较小时采用螺纹连接，被测管道直径较大时采用法兰连接(8)。内孔供液体通过，在内孔中分别固定有测两定点间电阻变化的两个电极(2)，圆环状电极(9)内孔直径与传感器内孔直径相同且同心，均为25毫米，通常两电极间距离可取10-50毫米。电极也可以为圆环状(9)、针状或柱状(7)等，以圆环状电极效果最好，如图3、图4。电极(2)，由引出线(4)电气连接至前置放大变换器，电极与传感器体之间设有绝缘片(5)传感器串联前置放大变换器，前置放大变换器与流量积算仪电气联接；流量积算仪与显示仪电气联接，电源是为整机提供能量，电源分别与流量传感器、前置放大变换器、流量积算仪、及流量显示仪电气联接。前置放大变换器用于将电阻信号转换为电压信号并放大，流量信号输出可以是电压、电流等多种形式，流量积算仪用于接收前置放大变换器的信号，并利用存储不同液体的电阻R与平均流速V的函数关系V＝f(R)，根据预设程序计算流量，并作可变换处理后输出。显示、记录仪及电源，流量积算仪电气联接将流量信号输出提供使用的装置。传感器在结构上是独立的，电源、前置放大转换器、流量积算仪、显示记录仪作为一个整体，置于主机(1)箱内。也可外接扩展显示记录仪。

本实施例中前置放大转换器可采用多种形式，可采用分压式前置放大转换器，如图5。分压式前置转换放大器由固定电阻R₀、液体可变电阻R、电源、集成运算放大电路组成，液体可变电阻由两测量电极及被测液体组成，放大器的输出信号取自液体可变电阻两端的电压u。设电源电压为常数U，由于集成运算放大电路的输入电阻很大，由电工学理论可得：

$u=U\frac{R}{R+R_0}$

当R随着液体平均流速变化时u也在作相应的变化，u中包含了平均流速变化的信息。

本实施例也可采用桥式前置放大转换器，由三个固定电阻R₀和被测液体构成的液体可变电阻R组成了一个电桥，电气原理如图6所示。放大器的输出取为a、b两点间的电压，同样可以由电工学的原理得到：

$u=U\frac{R_0-R}{2\left({R+R}_0\right)}$

当电阻R变化时同样可以得到一个变化信号u。与分压式前置放大转换器相比，桥式前置放大转换器抗干扰能力强，测量精度较高，属首选形式。论采用采取上述那一种形式，前置放大转换器都须具备以下特征，

(1)具有由固定电阻R₀和液体可变电阻R所组成的分压电路或桥式电路。

(2)具有由集成运算放大器组成的放大电路。

(3)采用交流电源为分压电路或电桥电路供电。

在本发明中流量积算仪的作用是接收前置放大送来的信号，经运算、处理后得出流量信号。所得的信号分成两路，一路驱动显示仪表，直接读数。另一路通过多路外接接口输出，供自动控制或外接扩展的显示仪表或其它仪器使用。输出信号有数字信号和模拟信号两种，可以自由选用。流量积算仪的核心是一台单片机，图6是一个流量积算仪结构框图。来自前置转换放大器的信号u1通过(I/O)接口，经模/数(A/D)转换后进入单片机，根据事先设定的程序进行运算，得出的流量信号一路送入显示仪表，直接显示数据，供使用人员读取。另一路经I/O接口输出，输出量有数字信号和模拟信号两种，可根据实际情况选用。输出接口设置多个，可同时供不同自动控制仪表或上一级控制计算机进行自动控制时使用，也可用以驱动打印机、示波器等扩展的二次仪表。流量数据存储在单片机内，可随时供查询取用。

显示、记录仪是将流量、总流量、平均流量等数值，以人能感知的形式表输出，如表针指示、发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)显示或打印机打印输出等。

电阻式流量计利用流动液体电阻随液体平均流速增加而降低的特性进行测量，流量计取得的流量信号分为两路输出，一路接显示仪表，由操作人员直接读取。另一路根据需要，可以有电压、电流、频率等多种形式输出，供自动控制系统使用。由此可知，电阻式流量计不但可以作为常规的流量计使用，更可以作为自控系统的一个环节，对涉及到流量或与流量有关的各种生产过程实现闭环自动控制。

图8为只需作流量测量时的连接示意图。将传感器串联接入欲测流量的管道，由操作人员直接读出管内液体的流量，或自动保存备查，流量信号输出接口空闲不用。只需知道流量值时，这样的接法即可。

图9为流量测量、控制连接示意图。将实际流量的信号，经输出接口送入比较运算单元，与给定的流量信号比较后，得出偏差值，放大后由动力元件驱动计量泵或控制阀产生相应的动作，增加或减小流量，从而达到控制流量的目的。

Claims (5)

1、基于负阻特性的流量测量方法，其特征在于，测量流场内液体两定点间电阻的变化量及对应的液体的平均流速，通过标定，找出不同液体的液体可变电阻R与平均流速V的关系V＝f(R)，进而由Q＝AV＝Af(x)而计算得流量，利用欲测定其流量的管道内所设的两个电极间由被测液体构成的液体可变电阻R测量流量，具体方法为：

(1)在欲测定其流量的管道内设两个电极，电极与液体直接接触，当管内充满液体后两电极间形成一个数值随液体平均流速变化的液体可变电阻，

(2)保持管内液体静止，测定两电极间的液体可变电阻R的原始值R₀，

(3)改变管内液体平均流速，依次取V₁、V₂、V₃……Vn，测出相对应的液体可变电阻R的数值R₁R₂R₃……Rn，

(4)采用现有公知的计算机曲线拟合程序处理上述数据，得出流量与电阻间的函数关系V＝f(R)，

(5)测量管道过流截面积A，

(6)将步骤(4)、(5)得出的关系式和数据输入流量积算仪，存储待用，

(7)流量积算仪根据已存储的不同液体可变电阻R与平均流速的函数关系V＝f(R)，并根据Q＝AV＝Af(x)关系，利用其预设的现有公知的计算程序，计算液体流量，

(8)通过流量积算仪内的在线监控程序控制显示仪实时显示记录流量值，并可查询历史记录。

2、基于负阻特性的电阻流量计，其特征在于，包括有：

(1)检测液体可变电阻R变化量的流量传感器，

(2)用于转换电阻信号并放大的前置放大转换器，

(3)有利用不同液体可变电阻R与液体平均流速函数关系V＝f(R)，并根据Q＝AV＝Af(x)关系，利用其预设的现有公知的计算程序，计算流量的流量积算仪，

(4)显示记录流量值的显示、记录仪，

(5)将流量信号输出，供自动控制使用的I/O接口电路，

(6)电源，

流量传感器体(3)两端为可拆卸的连接结构，内孔供液体通过，在内孔分别设有2个测两定点间电阻变化的电极(2)，流量传感器与前置放大变换器电气联接；前置放大变换器与流量积算仪电气联接；流量积算仪与显示仪电气联接；流量积算仪与流量信号输出I/O接口电气联接；电源分别与流量传感器、前置放大变换器、流量积算仪、及流量显示仪电气联接。

3、如权利要求2所述的基于负阻特性的电阻流量计，其特征在于，前置放大转换器的电路中具有由固定电阻R₀和数值随液体平均流速变化的液体可变电阻R所组成的分压电路或桥式电路。

4、如权利要求2所述的基于负阻特性的电阻流量计，其特征在于，流量传感器设有2个电极(2)，由引出线(4)电气连接至前置放大变换器，电极为圆环状(9)、针状或柱状(7)。

5、如权利要求3所述的基于负阻特性的电阻流量计，其特征在于，可拆卸的连接结构为螺纹连接(6)或法兰连接(8)。

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